Principes clés pour un agencement PCB mixte analogique/numérique fiable

Souvent, une conception PCB contient à la fois une section analogique et une section numérique. La section analogique conditionne généralement un signal pour numérisation, et la section numérique convertit le signal analogique en numérique puis agit sur ce signal numérique. La séparation de ces deux blocs est cruciale pour l'intégrité du circuit analogique. Les circuits analogiques sont très sensibles au bruit ; les circuits numériques sont très bruyants électriquement. Cet article éclaire sur les règles générales pour éviter les problèmes d'agencement mixte et discute la meilleure approche pour isoler votre partie analogique de sa contrepartie numérique.

Contexte

Rappel rapide : il est important de discuter du chemin de retour des signaux AC haute vitesse. Pour un signal DC, le chemin de retour est simplement le chemin de moindre résistance vers le composant d'origine. Les chemins de retour AC suivent le chemin de moindre impédance. Cela signifie que les courants de retour AC restent localisés sous leurs pistes de signal d'origine. Exception : si vous coupez le plan de masse sous un signal AC haute vitesse, vous forcez le courant de retour à créer une boucle rayonnante. Ce type de boucle est à la fois source et puits de bruit rayonné, à éviter. Ce rappel rappelle l'une des deux règles de base de réduction EMI : maintenir les chemins de retour aussi proches que possible de leurs pistes d'origine pour éviter les boucles de courant de retour. L'autre règle : utiliser un seul plan de référence. Si deux sont utilisés, le PCB devient une antenne dipôle. Avec ce rappel, passons aux spécificités de l'agencement mixte.

Topologies de signaux mixtes

La première inclination d'un concepteur est souvent de séparer simplement la partie analogique de la numérique par un schéma de masse analogique et numérique. Le problème : quand des connexions sont faites du numérique vers l'analogique, le PCB devient une antenne dipôle. Un tel design sera intrinsèquement sensible au bruit et très bruyant lui-même.

Une autre approche courante : connecter les masses analogique et numérique en un seul point (souvent le rail négatif de l'alimentation). C'est une très mauvaise solution : les pistes connectant le numérique à l'analogique forment maintenant une antenne boucle par le point de connexion de masse, qui rayonnera et recevra du bruit. De plus, les pistes connectant les parties de masse indépendantes créent une antenne dipôle. Les deux effets produisent un design très bruyant et sensible.

Une approche légèrement plus efficace : configuration où analogique et numérique sont connectés directement par un « pont ». Bien que les masses soient directement connectées, toutes les pistes de connexion de l'analogique au numérique sont routées au-dessus de la zone où les masses sont connectées. Ainsi, les signaux AC haute vitesse entre les deux circuits ont un chemin de retour direct, mais les plans de masse restent quelque peu séparés. Cette configuration pont permet théoriquement au côté numérique d'avoir le même plan de masse que l'analogique, avec plus d'isolement qu'un plan continu partagé. Bien que ce type de configuration donne généralement de bons résultats, pourquoi utiliser un pont ? Les courants de retour des signaux AC haute vitesse restent intrinsèquement très proches de leurs pistes d'origine, donc le besoin de pont peut être évité par un routage mindful des signaux numériques.

La meilleure et plus simple approche pour un agencement mixte est de simplement diviser la carte en partition analogique et partition numérique. Ces deux partitions partagent le même plan de masse, constitué d'un déversement de cuivre sur toute la carte. Les interférences entre les deux côtés sont alors facilement évitées en ne routant pas les signaux numériques haute vitesse sur la partie analogique.

Il s'ensuit que dans toutes ces configurations, la ligne de séparation des partitions sera l'emplacement logique du/des convertisseurs analogique-numérique (CAN). Il n'est pas rare de voir des CAN chevaucher des plans de masse analogique et numérique isolés, mais une très bonne solution est de placer les CAN le long de la ligne de séparation des parties numérique et analogique, où la carte a un plan de masse unique continu.

Enfin, mentionnons d'autres approches pour isoler l'analogique du numérique. Il n'est pas rare de coupler optiquement la partie numérique avec l'analogique via des isolateurs optiques. Ainsi, les deux parties peuvent avoir leurs propres plans de masse électriquement isolés. Cette configuration fonctionne aussi en isolant les deux parties par un transformateur, couplage magnétique. Bien que valides, ces approches sont généralement réservées aux applications spéciales.

Règles générales

Résumé des règles générales pour l'agencement PCB mixte :

• Commencer par définir les parties analogique et numérique de votre conception.
• Partitionner votre PCB en partie analogique et partie numérique.
• S'assurer que composants numériques et analogiques sont assignés à leurs partitions respectives.
• Ne jamais router de signaux numériques à travers la partie analogique, ni de signaux analogiques à travers la partie numérique.
• Placer les convertisseurs analogique-numérique de façon qu'ils chevauchent la ligne de séparation entre partitions analogique et numérique.
• Utiliser un plan de masse unique solide donne les meilleurs résultats, avec l'avantage d'être l'approche la plus simple.
• Si une piste doit être routée de la partition analogique à la numérique, s'assurer qu'elle est entièrement au-dessus du plan de masse de la carte.

Ressources utiles

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